Láser Nd:Yag versión 2.0

Láser de neodimio:Yag de fabricación casera y alta potencia.

En este documento voy a explicar mi proyecto de fabricación casera de un láser de alta potencia y alta tasa de repetición.

La idea venía de la versión 1 de láser /ndyag/ndyag.htm
Pero esta vez he mejorado el aspecto de la refrigeración, potencia y automatismo de control.

Como referencia original, todo el proceso está explicado en el foro de científicos aficionados.

Y un video en Youtube donde se muestra la versión 2.0 funcionando en modo semi-manual.
http://www.youtube.com/watch?v=ZZE2kJeatkc

Cavidad láser:

La cavidad va a ser una refrigerada por agua, adquirida de segunda mano por ebay.

Problemas con la cavidad específica para unas dimensiones concretas:

Adquirí por ebay una barra de Nd:Yag de las dimensiones justas para la cavidad, pero no funcionaba bien, posiblemente defectos en las capas antireflectantes de los extremos.
La otra barra que tenía era más pequeña, por lo que tuve que usar unos casquillos hechos de tubo de latón de 6 milímetros de diámetro exterior X 5 mm de diámetro interior.

Pegamento usado para sellar la barra con los casquillos:

En un principio hice servir loctite para cristal que se cura por UV, pero parece que no resiste a disolventes orgánicos como el agua.
La solución fué usar epoxy de alta temperatura de la marca NURAL, de dos componentes. Resiste muchos tipos de disolventes, además de temperatura y lo he probado en muchas aplicaciones de alto vacío sin ningún problema.

Espejos resonantes:

En la primera versión del láser usé espejos de fabricación caseora usando la técnica de sputtering, usando oro que refleja casi un 98% en el infrarojo.
Usando q-switch ya observé los problemas derivados de la alta potencia de pulso que genera, y la destrucción de los mismos.

La solución por falta de poder fabricar mis propios espejos dieléctricos, ha sido comprarlos por ebay, con un coste de unos 60 euros la pareja de reflector total y reflector del 30% de reflectancia.
El vendedor.

Primeros pasos y estructura del láser:

Soportes para espejos de fabricación casera, y barra nd:yag original que no funcionaba, luego la cambié por la adaptada con casquillos de latón.

Espejo de salida de 70% de transmitancia, pegado con loctite para cristal.

Sistema de refrigeración usando una bomba de membrana y un radiador de aceite de auto.

Conexiones a la cavidad láser del sistema de refrigeración.

Alineando los espejos.

Por el momento el láser de neón que usaba para ajustar los espejos se estropeó, y ahora estoy usando uno de diodo de 100mW con un buen filtro IR y por la parte trasera hago el ajuste además de tener el punto de enfoque y disparo.

Primer piso, sistema de refrigeración y el transformador de microondas por falta de espacio.

Segunda planta, sistema eléctrico.

Tercera planta, banco óptico y láser.

Faltan muchos componentes, pero esto es a groso modo como estará distribuido.

Primer montaje terminado para trabajar en modo manual y hacer las primeras capturas y determinar el umbral mínimo de salida láser.

Primera luz, y densidad de energía mínimo para la salida láser:

Primera prueba, para ver la duración del pulso de la lampara flash, que ronda los 220 uS con 105uF. Con una energía de 12,18J y sabiendo que la barra ocupa un volumen de 1,5cm^3 , dividimos y tenemos la densidad de energía.

Pulso de muy poca energía, pero se aprecia algo la salida láser casi al final del pulso flash.

Un poco más de energía, pero todabía por debajo del funcionamiento correcto.

Este pulso sí que corresponde a la salida normal del láser, y la densidad de energía son por encima de 20J/cm^3 de energía respecto la aplicada a la lámpara flash.

Pulso solo al máximo de energía con estos condensadores de 105uF

Salida láser máxima.

Añadiendo el q-switch pasivo, vemos el carro de pulsos.

Y con más detalle vemos la duración de cada micropulso.

Primeras pruebas en materiales:

Enfocando con otro láser de neón por detrás de la cavidad, y muestra de INOX.

Pulso sin q-switch.

Pulso usando el q-switch pasivo, se aprecia el color del pulso que tira al azulado, la tempratura debe estar por encima de los 10000K.

Igual que el anterior pero ajustando el tiempo de exposición de la cámara.

En papel de aluminio.

Y la muestra que sufrió todos los disparos.

Un trozo de cinta aislante sin lente, para ver como quema por igual en el círculo de 5mm de diámetro.

Y una vista del láser.

Otra aplicación interesante:

La idea es concentrar el láser en un punto de algún material transparente como cristal o plásticos y donde se concentra provoca un punto donde se ha fulminado el material, y de este modo se pueden dibujar figuras en el interior en 3 dimensiones:

Mejoras del láser, versión 2.1:

La mejora principal ha sido darle más energía , usando un total de 240uF a 1600 voltios máximo.

Otros disparos en diferentes materiales a 180 julios en lámpara flash:

Aluminio con q-switch.

Policarbonato.

Transistor.

Una lata de cocacola no se salva.

Cuchilla de afeitar.

Ferrita.

Pulsos usando q-switch dentro del agua, se ve como combustiona el agua por la energía.

Esquema eléctrico:

Este es el esquema básico para trabajar manualmente.

Esquema adaptado a Arduino:

Y este es el esquema para trabajar con el Arduino UNO adaptado al esquema inicial.

Vista del resultado final, a falta de hacer un circuito impreso para adaptar el Arduino al circuito sin usar el Protoboard provisional.

Medidas de Energía de salida:

Esto es un resumen en Excel de la energía de salida del láser por pulso, usando el reflector parcial del 30% de reflectancia.
Como referencia a lo que se puede hacer con esa energía por pulso, decir que un cuchillo de 0,5mm de grosor es agujereado por un solo pulso.

Un detalle curioso es que a partir de 1000 voltios la energía de salida deja de ser lineal, y termina a los 1280 voltios que es más baja que valores anteriores.
( error: Esto es debido a la saturación del medio activo. )
( error: Saturación con una energía de 150 julios/1,5cm^3 = 100J/cm^3)

Actualización 19-10-2011: Este problema de potencia, es debido a un mal enfoque de la cavidad resonante, estaría muy lejos de saturar la barra.

Espejo de salida 70% reflectante:

Con el espejo de más reflectancia en la salida, se consigue salida láser con menos potencia lumínica de excitación.

El resto de valores de potencia han sido muy parecidos al espejo del 30% R, una vez corrigido el problema del correcto alineado.

Programa con Arduino UNO:

El lenguaje de programación es en C# , por lo que es muy fácil de diseñar cualquier automatismo conociendo de antemano todo lo que puede dar este lenguaje.

Arduino es una plataforma de electrónica abierta para la creación de prototipos basada en software y hardware flexibles y fáciles de usar. Se creó para artistas, diseñadores, aficionados y cualquiera interesado en crear entornos u objetos interactivos. (fuente oficial)
http://arduino.cc/es/ y la versión en inglés: http://arduino.cc/en/

En dichas páginas podeis encontrar toda la información necesaria para dar los primeros pasos y con muchos ejemplos de código para diversas aplicaciones.

La principal ventaja de usar un microcontrolador, es que solo variando unas cuantas lineas de código podemos variar cualquier función del láser, sin estar presente ni estar controlando los diferentes parámetros, como tiempo de carga de condensadores, regulación por voltaje, tiempos de disparo de la lámpara flash, etc...

Programa control láser:

El diseño se ha basado en un esquema tipo "Grafcet" muy fácil de interpretar por cualquier programador en automatismos y de fácil intuición para no tan expertos:

Algunas aclaraciones: K3 es el disparo del trigger para la lámpara flash. El resto de bobinas corresponden con el esquema anterior con la placa arduino.

Programa en C++ pasado al Arduino V2.2:

int an0 = 0; // Monitor voltaje condensador
int an1 = 1; // Regulación potenciometro
int an2 = 2; // Regulación ratio de repetición de 0.1 a 10Hz
int dout2 = 2; // K1 Principal
int dout3 = 3; // K2 Refrigeración
int dout4 = 4; // K3 Disparo serie flash
int dout5 = 5; // RS1 Relé solido regulación carga condensador
int dout6 = 6; // Led piloto listo para disparar
int dout11 = 11; // Láser puntero salida, modulación TTL cable a masa apagado.
int din8 = 8; // Paro de Emergencia (NC)
int din9 = 9; // Marcha S1 (NO)
int din10 = 10; // Disparo S2 (NO)

boolean n = false ; //otras variables de control y proceso.
int a = 0;
int b = 0;
unsigned long interval = 0;
unsigned long time = 0;
unsigned long previoustime = 0;
boolean timeok = false;

void setup(){
pinMode(dout2, OUTPUT); // pin 2 digital de salida a K1 relé principal
pinMode(dout3, OUTPUT); // pin 3 digital de salida a K2 refrigeración
pinMode(dout4, OUTPUT); // pin 4 digital de salida a K3 disparo
pinMode(dout5, OUTPUT); // pin 5 digital de salida a RS1 Relé regulación carga condensadores
pinMode(dout6, OUTPUT); // pin 6 digital de salida a led piloto de LISTO
pinMode(dout11, OUTPUT); // pin11 salida analógica PWM para controlar puntero láser por TTL
pinMode(din8, INPUT); // Pin 8 digital, PE (NC)
pinMode(din9, INPUT); // Pin 9 digital, S1 Marcha (NO)
pinMode(din10, INPUT); // Pin 10 digital, S2 Disparo (NO)
}
void loop(){

if(digitalRead(din8) == HIGH ){
digitalWrite(dout3, HIGH); // Si PE cerrado, enchufa el K2 de refrigeración
digitalWrite(dout11, 180); // Enciende el láser puntero para enfocar
if(digitalRead(din9) == HIGH ) {

digitalWrite(dout2, HIGH); // Si S1 cerrado, activa K1 y define las entradas analógicas para comparar luego
a = analogRead (an0); // De 270 a 900 voltios con el ajuste de origen, sin variar resistencias
b = analogRead (an1);
analogWrite(dout11, 50);
if( a < b){ // Si voltaje condensador más pequeño que potenciometro, activa RS1 carga condensador
digitalWrite(dout5, HIGH);
}else{ //Sino desactiva RS1 no carga condensador
digitalWrite(dout5, LOW);
n = true; // Pone la variable "n" en TRUE para disparar el láser.
digitalWrite(dout6, HIGH); // Enciende el led de LISTO
}
/* if(analogRead(an2)*1 > interval + 5 || analogRead(an2)*1 < interval - 5){ interval = analogRead(an2)*1; } // Si hay un desvio de más de 5% entonces reasigna el
// nuevo valor
// INTERVALO lee potenciometro tasa de repetición y multiplica por 10, así como máximo hay 10320 milisegundos = 10.3 segundos por repetición
time = millis(); // Asigna de nuevo el tiempo en time
if( time - previoustime > interval){ // Si tiempo menos el anterior es mayor que el intervalo , entonces escribe de nuevo el tiempo en la variable previa
previoustime = time;
timeok = true; // entonces da permiso para disparo
}else{
previoustime = time;
timeok = false; // Si no , no da permiso
}
*/
if(digitalRead(din10) == HIGH && n == true ){ // && timeok == true
digitalWrite(dout5, LOW); // Asegura que RS1 carga condensador está apagado
analogWrite(dout11, 255); // Apaga puntero láser mientras dispara
delay(15); //Espera un semiciclo de los 50Hz por si estaba conduciendo RS1
digitalWrite(dout4, HIGH); // Disparo K3 relé flash
delay(25); // Espera 20ms para que el relé tenga tiempo de descargar.
digitalWrite(dout4, LOW); // Desactiva K3 relé flash
delay(450); //Delay forzado para no quemar el transformador de microondas, por suprimir y poner la tasa de repetición ajustable.
n = false; // Pone a 0 la condición de disparo listo.
digitalWrite(dout6, LOW); // Desactiva el led de LISTO

timeok = false; // Pone la condición de tiempo en False para empezar a contar de nuevo
analogWrite(dout11, 50); // Enciende de nuevo el láser rojo de enfoque
}
}else{
digitalWrite(dout2, LOW); // Si no activa S1 de marcha, desactiva K1 principal
digitalWrite(dout5, LOW); // Si no activa S1 de marcha, desactiva RS1 de carga condensador
analogWrite(dout11, 180); // Si desactiva S1, atenua el láser puntero
digitalWrite(dout6, LOW); //Desactiva led de listo
digitalWrite(dout4, LOW); //Desactiva por si acaso K3
delay(1000); // Espera 1 segundo para que de tiempo a descargar el condensador para volver a activarlo.
}

}else{
digitalWrite(dout3, LOW); // Sino activa PE, desactiva refrigeración K2
digitalWrite(dout2, LOW); // sino activa PE, desactiva K1 principal
digitalWrite(dout5, LOW); // sino activa PE, por si acaso desactiva RS1, aunque no debería estar activado.
analogWrite(dout11, 255); // Si apreta el PE, apaga también el láser puntero
digitalWrite(dout6, LOW); // Desactiva led de listo
digitalWrite(dout4, LOW); //Desactiva K3 por si acaso
delay(2000); // Pausa para descargar los condensadores y poder volver a iniciar.
}
}

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Este es el programa hasta el momento, a falta de algunos detalles como el ajuste de la tasa de repetición y un control por tiempo máximo que dependa de la potencia que puede entregar el transformador de microondas.

Otros experimentos usando el láser SHG (Generador del segundo harmónico) 532nm:

Como era normal no me podía esperar a generar el segundo harmónico usando cristales KDP de cosecha propia. Para más info: http://en.wikipedia.org/wiki/Second-harmonic_generation

Primer cristal de 1,4mm entre aristas.

Un LBO comercial de ocasión.

Dividiendo el haz al 50%.

Y algunos experimentos para excitar colorantes tanto sólidos como líquidos, pero falta optimizar las concentraciones.

Este es un cristal KDP de 14 milímetros entre aristas.

Otras imágenes con más detalle:

Podeis ver mi álbum con todas las fotos a máxima resolución.
https://picasaweb.google.com/alfonatr0/Ndyag_2?authuser=0&authkey=Gv1sRgCOb-pMvq5PTMQA&feat=directlink

Intervalo de tiempo aproximado invertido en el láser y el auto-aprendizaje:

Versión 2.0 iniciada el 3 de Mayo del 2011, y terminado como está a 11 de Agosto del 2011.
Pequeños detalles como las tapas del láser y el circuito impreso los haré antes de Septiembre.

Dudas y comentarios a alfonatr@hotmail.com

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